鋰硫電池介紹

鋰硫電池是鋰離子電池的一種，鋰硫電池是以硫元素作為電池正極,金屬鋰作為負(fù)極的一種鋰離子電池。單質(zhì)硫在地球中儲(chǔ)量豐富，具有價(jià)格低廉、環(huán)境友好等特點(diǎn)。利用硫作為正極材料的鋰硫電池，其材料理論比容量和電池理論比能量較高，分別達(dá)到1675mAh/g和2600Wh/kg，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于商業(yè)上廣泛應(yīng)用的鈷酸鋰離子電池的容量（<150mAh/g）。并且硫是一種對(duì)環(huán)境友好的元素，對(duì)環(huán)境基本沒(méi)有污染，是一種非常有前景的鋰離子電池。

鋰硫電池正極材料一般由硫和高導(dǎo)電性材料復(fù)合而成，這重要是因?yàn)榱虮旧聿粚?dǎo)電，如上圖中的黃點(diǎn)和黑點(diǎn)就是硫和碳的混合物，所以這就是說(shuō)硫作為正極必須加導(dǎo)電劑，而且是高導(dǎo)電性的，這就降低了正極硫的能量密度（導(dǎo)電劑占了重量但不出現(xiàn)能量）；負(fù)極采用鋰片，這東西活性很高，作為負(fù)極沒(méi)話說(shuō)，但用的時(shí)候注意安全，活性高往往意味危險(xiǎn)存在；然后是電解質(zhì)重要是一些鋰鹽溶液，電解液不同與鋰離子電池常用的酯類(lèi)物質(zhì)，鋰硫一般用的都是醚類(lèi)物質(zhì)，這里也是一個(gè)很講究的地方，電解液與正極會(huì)接觸，那么就涉及到硫及其正極產(chǎn)物會(huì)不會(huì)直接溶解在這個(gè)里面，這就造成電池循環(huán)性能的下降；還有隔膜。

鋰硫電池的充放電原理

典型的鋰硫電池一般采用單質(zhì)硫作為正極，金屬鋰片作為負(fù)極，它的反應(yīng)機(jī)理不同于鋰離子電池的離子脫嵌機(jī)理，而是電化學(xué)機(jī)理。

鋰硫電池以硫?yàn)檎龢O反應(yīng)物質(zhì)，以鋰為負(fù)極。放電時(shí)負(fù)極反應(yīng)為鋰失去電子變?yōu)殇囯x子，正極反應(yīng)為硫與鋰離子及電子反應(yīng)生成硫化物，正極和負(fù)極反應(yīng)的電勢(shì)差即為鋰硫電池所供應(yīng)的放電電壓。在外加電壓用途下，鋰硫電池的正極和負(fù)極反應(yīng)逆向進(jìn)行，即為充電過(guò)程。根據(jù)單位質(zhì)量的單質(zhì)硫完全變?yōu)镾2-所能供應(yīng)的電量可得出硫的理論放電質(zhì)量比容量為1675mAh/g，同理可得出單質(zhì)鋰的理論放電質(zhì)量比容量為3860mAh/g。鋰硫電池的理論放電電壓為2.287V，當(dāng)硫與鋰完全反應(yīng)生成硫化鋰（Li2S）時(shí)。相應(yīng)鋰硫電池的理論放電質(zhì)量比能量為2600Wh/kg。

下面我們?cè)賮?lái)看一下鋰硫電池的充放電表現(xiàn)：

從放電曲線來(lái)看，鋰硫電池存在兩個(gè)放電平臺(tái)，高電壓平臺(tái)2.4V左右，低電壓平臺(tái)2.1V左右，但是容量卻非常高，輕松1000+mAh/g，從這張圖還可以看到這個(gè)過(guò)程中存在很多的中間產(chǎn)物，Li2S8、Li2S6、Li2S4.。。這些中間產(chǎn)物往往就是礙事的，它們的存在給硫正極帶來(lái)很多的問(wèn)題，如穿梭效應(yīng)，溶解性的問(wèn)題，而且最終的產(chǎn)物是電子絕緣體，這就降低了其反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)速率，使電池的倍率性能下降，硫的密度比產(chǎn)物L(fēng)i2S要大，也就是說(shuō)Li2S比S堆起來(lái)更加蓬松，那么體積就不可防止的膨脹，這也是一個(gè)不可防止的問(wèn)題。

到這里應(yīng)該基本能搞清楚鋰硫電池遇到的問(wèn)題是什么，目前的研究也基本就集中在這些問(wèn)題上，做到高能量密度，提高正極S的含量，增強(qiáng)循環(huán)穩(wěn)定性，安全性。

鋰硫電池存在的問(wèn)題

鋰硫電池重要存在三個(gè)重要問(wèn)題：鋰多硫化合物溶于電解液；硫作為不導(dǎo)電的物質(zhì)，導(dǎo)電性非常差，不利于電池的高倍率性能；硫在充放電過(guò)程中，體積的擴(kuò)大縮小非常大，有可能導(dǎo)致電池?fù)p壞。

第一、單質(zhì)硫的電子導(dǎo)電性和離子導(dǎo)電性差，硫材料在室溫下的電導(dǎo)率極低(5.0×10-30S·cm-1)，反應(yīng)的最終產(chǎn)物L(fēng)i2S2和Li2S也是電子絕緣體，不利于電池的高倍率性能。

第二、為鋰硫電池的中間放電產(chǎn)物會(huì)溶解到有機(jī)電解液中,新增電解液的黏度，降低離子導(dǎo)電性。多硫離子能在正負(fù)極之間遷移，導(dǎo)致活性物質(zhì)損失和電能的浪費(fèi)。（Shuttle效應(yīng)）。溶解的多硫化物會(huì)跨越隔膜擴(kuò)散到負(fù)極,與負(fù)極反應(yīng),破壞了負(fù)極的固體電解質(zhì)界面膜(SEI膜)。

第三、鋰硫電池的最終放電產(chǎn)物L(fēng)i2Sn(n=1~2)電子絕緣且不溶于電解液,沉積在導(dǎo)電骨架的表面;部分硫化鋰脫離導(dǎo)電骨架,無(wú)法通過(guò)可逆的充電過(guò)程反應(yīng)變成硫或者是高階的多硫化物,造成了容量的極大衰減。

第四、硫和硫化鋰的密度分別為2.07和1.66g·cm-3,在充放電過(guò)程中有高達(dá)79%的體積膨脹/收縮,這種膨脹會(huì)導(dǎo)致正極形貌和結(jié)構(gòu)的改變,導(dǎo)致硫與導(dǎo)電骨架的脫離,從而造成容量的衰減;這種體積效應(yīng)在紐扣電池下不顯著,但在大型電池中體積效應(yīng)會(huì)放大,會(huì)出現(xiàn)顯著的容量衰減，有可能導(dǎo)致電池的損壞，巨大的體積變化會(huì)破壞電極結(jié)構(gòu)。

第五、鋰硫電池使用金屬鋰作為負(fù)極,除了金屬鋰自身的高活性,金屬鋰負(fù)極在充放電過(guò)程會(huì)發(fā)生體積變化,并容易形成枝晶。

第六、鋰硫電池實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的研究開(kāi)展較多,單位面積上硫載量一般都在3.0mg·cm-2以下,開(kāi)展高負(fù)載量極片的研究關(guān)于獲得高性能鋰硫電池具有重要價(jià)值。